G蛋白以α、βγ亞基三聚體的形式存在於細胞質膜內側。α亞基已發現有20餘種，分子量為36～52kd。α亞基具有多個活化位點，其中包括可與受體結合併受其活化調節的部位、與βγ亞基相結合的部位、GDP或GTP結合部位以及與下遊效應分子相互作用的部位等等。α亞基還具有GTP酶活性。α亞基結合GDP時是無活性狀態，而與GTP結合時則為有活性狀態，GTP的水解又使其返回無活性狀態。
G蛋白中的β和γ亞基亦有數種，但不及α亞基種類多。在細胞內，β和γ亞基形成緊密結合的二聚體，只有在蛋白變性條件下方可解離，因此可以認為它們是功能上的單體。βγ亞基的主要作用是與α亞基形成複合體並定位於質膜內側。近年來的研究表明，βγ亞基亦可作用於其下遊效應分子。
G蛋白循環的具體過程可當物理或化學信號刺激受體時，受體活化G蛋白使之發生構象改變。α亞基與GDP的親和力下降，結合的GDP為GTP所取代。α亞基結合了GTP後即與βγ亞基發生解離，成為活化狀態的α亞基。活化了的α亞基此時可以作用於下遊的各種效應分子。這種活化狀態將一直持續到GTP被α亞基自身具有的GTP酶水解為GDP。一旦發生GTP的水解，α亞基又再次與βγ亞基形成複合體，回到靜止狀態，重新接受新的化學信號。
由於G蛋白的種類不同，因此G蛋白可以作用於不同的效應分子，或對同一效應分子進行不同的調節。